Датчик перемещения Советский патент 1988 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения малых линейных перемещений с высокой точностью.

Цель изобретения - повышение точности измерения путем уменьшения нелинейности статической характеристики преобразования линейного перемещения в электрический сигнал.

На чертеже схематически показан датчик перемещения, разрез.

Датчик содержит полупроводниковую подложку 1, выполненную, например, из монокристаллического кремния с проводимостью р-типа, в которой путем легирования соответствующих участков до п-насыщения сформированы исток 2 и сток 3. На некот.ором расстоянии от подложки установлен затвор 4, изолированный от нее зазором hj., запол - - ненным нейтральным газом (в идеале вакуумированным). Затвор вьтолнен в виде электрода, закрепленного на поверхности подвижного элемента 5, обращенной к подложке 1, и установлен с возможностью перемещения в направлении изменения зазора мезаду ним и подложкой 1. В подзатворной зоИе нод- ложки выполнен канал 6 в виде примесно-имплантированной области между истоком 2. и стоком 3 датчика. Канал 6 в полупроводниковой подложке защищен со стороны зазора слоем 7 диэлектрика из двуокиси кремния, а с другой стороны отделен от нее обедненным слоем 8, образуюпщм р - п-пе- реход канал - подложка. К истоку 2, затвору 4 и стоку 3 датчика подклюto

чены соответственно источники 9-1 1 напряжений U, , U- и U, , выбором соотношения величин напряжений которых обеспечивается работа датчика, представляющего собой:фактически канальный (металл. - диэлектрик - полупроводник) МДП-транзистор с подвижным затвором, в режиме сильной инверсии на пологом участке его вольт- амперной характеристики. Глубина Y, примесно-имплантированного канала 6 датчика выбрана из соотношения

2 л| ЗоС

(,.., -,J.j

(1+fJ)

9

де об

No Ж

- отношение напряжения Uj источника 11 напряжения на стоке k контактной разности и потенциалов р - п-пе- рехода канал - подложка;

- - отношение концентраций NQ и Nq донорной и акцепторной примесей со

ответственно в области р - п-перехода; 6 „ - относительная диэлектрическая проницаемост подложки;

ЕО абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуз ма;

е - заряд электрона. Для получения информации не тольк о величине перемещения объекта по координате Y в направлении изменения зазора hj-t но и знака (направления) этого перемещения датчик может быть выполнен по дифференциальной схеме (не показана). В дифференциальном исполнении он содержит две подложки со сформированными в каждой из них истоком, каналом и стоком и размещенный между ними общий подвижный элемент (якорь), на обеих поверхностях которого закреплены электроды- затворы.

Датчик перемещения работает следующим образом.

При перемещении подвижного затвора 4 по координате Y в направлении изменения зазора hp между ним и подложкой МДП-структуры происходит из

с ю

15

20

25

30

35

дд

45

50

55

менени . подзатворной емкости и сопротивления R канала 6. Это приводит к соответствующему изменению .величины тока, протекающего в цепи сток 3 - источник П напряжения на стоке и изменяющегося пропорционально изменению зазора, отделяющего затвор 4 от подложки 1. При включении двух датчиков перемещения, имеющих дифференциальное исполнение по схеме четырехплечего неурав- новещенного моста (не показана), и кинематическом соединении их затворов мезкду собой и объектом контроля в измерительной диагонали моста появляется напряжение разбаланса в том случае, когда зазоры между затворами и подложками в каждом датчике неодинаковы. Это обуславливает изменения сопротивлений канала в каждой половине дифференциального датчика, равные по величине, но противоположные по знаку, что позволяет определить по, величине и знаку напряжения разбаланса моста величину и знак контролируемого перемещения .

Благодаря тому, что приращения сопротивления R канала в предлагаемом датчике пропорциональны изменениям зазора между его затвором и подложкой, его характеристика преобразования по перемещению практически линейна, в то время как известный датчик перемещения, выполненный в виде МДП-структуры с подвижным затвором и индуцированным каналом, имеет нелинейность характеристики преобразования, превьщ1аю- щую 30%.

Ф о р м ула изобретения

Датчик перемещения, содержащий полупроводниковую подложку с вьтол- ненным на ней истоком, каналом, от- деленньм р -п-переходом от подложки, и стоком, изолированный от подложки зазором затвор, вьшолненный в виде электрода, установленного с возможностью перемещения в направлении изменения зазора между ним и подложкой, и источники напряжений U и Ug на истоке, затворе и стоке соответственно, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения нелинейности статич.еской характеристики преобразования, канал вьтолнен в

51377572

виде примесно-имплантированной под- затворной области глубиной Y, которая выбрана из соотношения

247

Зс(,

RiW -ilJ-g -aib-,

1 -1 V () Ng.e

Ы,

Uc

- отношение напряжения и источника напряжения на стоке к контактной разности и

потенциалов р - п-пе

Р

рехода канал - подложка j

U

- отношение концентра

ций NO. иЫдДонорной и акцепторной примесей соответственно в области р - n-пepexoдa

€р - относительная диэлектрическая проницаемость пoдлoжки

вд - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

е - заряд электрона.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель - повышение точности измерения линейных перемещений путем уменьшения нелинейности статической характеристики преобразования датчика, выполненного в виде МДП-структуры с поДвиж- ным затвором и примесно-имплантированным каналом в подзатворной области. Глубина канала выбрана в соответствии с математическим выражением, в которое входит отношение напряжения на стоке к. контактной разности потенциалов, а также отношение концентраций донорной и акцепторной примесей в зоне канала и примыкающем к нему обедненном слое. Благодаря этому при перемещении затвора в направлении изменения зазора между ним и подложкой МДП-структуры с выполненными на ее поверхности истоком, каналом и стоком происходит изменение сопротивления канала, пропорциональное изменению этого зазора. 1 ил. (Л

Редактор А. Огар

Составитель С. Скрьтник Техред Л.Олийнык Корректор О. Ципле

Заказ 4101

Тираж 683

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

«

ою

Подписное